軋鋼加熱爐節(jié)能理論及提效方案的規(guī)劃與評價(jià)

魏澤華

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

節(jié)能率是判定軋鋼加熱爐熱損失多少的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，本文采用比對分析優(yōu)化前后的兩種提效方案的方法，對軋鋼加熱爐生產(chǎn)工藝流程的優(yōu)化效果展開論述，旨在驗(yàn)證節(jié)能理論的確鑿性，以及提效方案的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 軋鋼加熱爐能效數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

1.1 軋鋼加熱爐的基本構(gòu)造與工作原理

近年來，社會各領(lǐng)域?qū)︿摬牡男枨罅颗c日俱增，在這一背景之下，鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)能也不斷提升，而軋鋼加熱爐節(jié)能效果的關(guān)注熱度也不斷升溫。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，軋鋼加熱爐的能源消耗量占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的10%～20%，因此，廣大技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)軋鋼加熱爐的基本構(gòu)造與工作原理，制定一個針對性強(qiáng)、節(jié)能效果顯著的節(jié)能提效方案，進(jìn)而將能源消耗量降到最低點(diǎn)。軋鋼加熱爐的基本構(gòu)造如圖1 所示。

圖1 軋鋼加熱爐的基本構(gòu)造

由圖1 可以看出，在軋鋼生產(chǎn)過程中，鋼坯從左側(cè)進(jìn)料端裝入，然后在步進(jìn)機(jī)構(gòu)的傳輸作用下，使鋼坯產(chǎn)生移動，移動區(qū)間經(jīng)過了預(yù)熱段、加熱段與均熱段，經(jīng)過加熱以后的鋼坯從右側(cè)出料端排出。鋼坯從進(jìn)口到出口這段時間，加熱源主要以燒嘴噴出的燃?xì)馀c高溫?zé)煔鉃橹?，在三個加熱區(qū)間產(chǎn)生的多余煙氣將從左側(cè)的煙道排出，從軋鋼加熱爐的工作原理可以看出，整個軋鋼過程的熱損失工序主要集中在三個加熱區(qū)間[1]。

1.2 軋鋼加熱爐能效數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建分析

軋鋼加熱爐的節(jié)能理論主要應(yīng)用物理學(xué)科中的熱力學(xué)定律，然后創(chuàng)建加熱爐的質(zhì)量守恒、熱平衡以及平衡方程。首先將燃?xì)狻⒖諝?、煙氣等氣體看作理想氣體，外界環(huán)境條件為T0=303.15 K（t0=30 ℃），p0=101.325 kPa。加熱爐內(nèi)各物質(zhì)的動能與勢能忽略不計(jì)，鼓風(fēng)機(jī)、步進(jìn)機(jī)構(gòu)所消耗的電能忽略不計(jì)，則質(zhì)量守恒方程為：

方程中：min為軋鋼加熱爐輸入的質(zhì)量流；mout為加熱爐輸出的質(zhì)量流。

由此可以得出熱平衡方程為：

方程中：Qin為熱量輸出量；Quse為有效利用的熱量，也可以理解為鋼坯增加的物理熱；Qloss為未被有效利用的熱量；Qout為其他輸入物質(zhì)流的物理熱；Qd為熱損失。

方程中：Eloss為加熱爐未被有效利用的；Eout為除了成品鋼坯以外，其他輸出物質(zhì)流的物理以及輸出物質(zhì)流中的氣態(tài)物質(zhì)的擴(kuò)散；Ed為加熱爐的各項(xiàng)耗散。

2 軋鋼加熱爐提效方案的實(shí)際應(yīng)用案例

2.1 軋鋼加熱爐的生產(chǎn)工藝參數(shù)

以某鋼鐵企業(yè)中的軋鋼加熱爐的實(shí)際生產(chǎn)流程為例，對減少加熱爐熱損失所采取的有效措施進(jìn)行闡述。該加熱爐的燃料為高爐煤氣，進(jìn)料端鋼坯是經(jīng)過自然冷卻的冷坯料，爐體外部裝有汽化冷卻裝置，其中高爐煤氣消耗量為38 000 m3/h、煤氣發(fā)熱量為3 262.8 kJ/m3、燃料預(yù)熱溫度為200 ℃、空氣預(yù)熱溫度為300 ℃、過量空氣系數(shù)為1.2、鋼坯入爐溫度為30 ℃、鋼坯出爐溫度為1 200 ℃、燒損率為1%、出爐煙氣溫度為600 ℃、鋼坯產(chǎn)量為106.59 t/h。當(dāng)確定加熱爐的各項(xiàng)參數(shù)后，技術(shù)人員需要確定加熱爐熱量輸入項(xiàng)、輸出項(xiàng)與輸入項(xiàng)、輸出項(xiàng)。

其中，熱量輸入項(xiàng)包括燃料熱量、燃料物理熱、空氣物理熱以及鋼坯氧化放熱；熱量輸出項(xiàng)包括鋼坯加熱時需要的熱量、煙氣出爐時攜帶的熱量、汽化冷卻裝置中的蒸汽所攜帶的熱量、廢鋼攜帶的熱量以及其他原因產(chǎn)生的熱損失。根據(jù)熱平衡方程可以計(jì)算出燃料化學(xué)熱為1.27×106kJ/t、燃料物理熱為1.11×105kJ/t、空氣物理熱為1.17×105kJ/t、鋼坯氧化化學(xué)熱為5.70×104kJ/t，熱量輸出項(xiàng)中的鋼坯物理熱為7.68×105kJ/t、煙氣物理熱為5.80×105kJ/t、蒸汽物理熱為6.90×104kJ/t、廢鋼物理熱為1.00×104kJ/t、爐體熱損失為1.28×105kJ/t。

2.2 軋鋼加熱爐的節(jié)能措施

通過對軋鋼加熱爐各項(xiàng)熱量損失數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，技術(shù)人員分別從管理與技術(shù)角度出發(fā)，根據(jù)加熱爐節(jié)能理論制定了一套節(jié)能提效方案，在該方案當(dāng)中，在管理層面采取了工序匹配法，在技術(shù)層面采用了余熱回收技術(shù)[2]。

2.2.1 工序匹配法

為了提高產(chǎn)能，鋼鐵企業(yè)在軋鋼生產(chǎn)當(dāng)中，常常使用多臺加熱爐為軋鋼生產(chǎn)工序提供動力能源，但是，這種生產(chǎn)模式也存在弊端，如果前一塊板坯的軋制工序未完成，即使下一塊板坯已經(jīng)完成加熱工序，也無法進(jìn)入到爐體當(dāng)中，這種工序不匹配的格局，無形當(dāng)中增加了加熱爐的熱損失。同理，對于相鄰的兩塊坯料來說，后入爐坯料在先入爐坯料未完成加熱工序后，該坯料也無法出爐，這都會產(chǎn)生熱量浪費(fèi)現(xiàn)象。因此，結(jié)合該鋼鐵企業(yè)軋鋼加熱爐的生產(chǎn)流程，對生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使用4 臺軋鋼加熱爐搭配1套軋制機(jī)組，進(jìn)而使坯料入爐與出爐工序相互匹配。比如，加熱鋼坯的數(shù)量為80 塊，每一塊鋼坯的規(guī)格尺寸各不相同，加熱時間介于190～230 min 之間，軋制時間介于1～3 min 之間。通過人工調(diào)度的方法，該批次鋼坯的加熱總時間為387 min，通過應(yīng)用工序匹配的方法，該批次鋼坯的加熱總時間縮短了29 min，據(jù)此可以計(jì)算出加熱爐的節(jié)能率約為7.7%。

2.2.2 余熱回收技術(shù)

在該案例當(dāng)中，出爐煙氣的溫度為600 ℃，流量為57 600 m3/h，其余熱回收潛力巨大，因此，技術(shù)人員利用管式換熱器來提升燃?xì)馀c空氣的基準(zhǔn)溫度，由原來的30 ℃分別提升至300 ℃和200 ℃。借助于熱平衡方程可以計(jì)算出燃?xì)馀c空氣在傳熱過程中產(chǎn)生的熱損失，其中，熱損失的多少與管式換熱器的材質(zhì)有著直接關(guān)系。采用這種余熱回收技術(shù)以后，原有的煙氣溫度可以降到378 ℃，軋鋼加熱爐的熱效率提升至56.61%效率提升至43.73%，單位時間內(nèi)消耗的燃料總量降至44.29 kg/t，由此可以計(jì)算出加熱爐的節(jié)能率約為14.7%。

3 結(jié)語

通過軋鋼加熱爐生產(chǎn)的案例分析可以看出，采用工序匹配法，加熱爐節(jié)能率達(dá)到7.7%，而如果采用余熱回收技術(shù)，加熱爐節(jié)能率能夠達(dá)到14.7%。因此，這兩種節(jié)能措施的運(yùn)用，不僅可以有效減少加熱爐的熱量損失，同時也能夠?yàn)殇撹F企業(yè)節(jié)省大量的燃料能源，這對企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的持續(xù)穩(wěn)步增長具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。